正交試驗(yàn)法在光纖激光切割厚板中的應(yīng)用

周鵬飛，崔 凱，陳 同

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

光纖激光切割作為新興的激光切割技術(shù)，與傳統(tǒng)CO2激光切割相比，因其體積小、運(yùn)行成本低及優(yōu)越的中薄板加工性能，迅速被用戶接受。隨著市場(chǎng)需求不斷變化以及大功率光纖激光器技術(shù)的不斷完善，光纖激光切割在厚板切割上的應(yīng)用也越來(lái)越多[1]。本文在公司ML系列2kW光纖激光切割機(jī)上，采用正交試驗(yàn)法，進(jìn)行20mm低碳鋼厚板的切割試驗(yàn)，有效、合理地減少試驗(yàn)時(shí)間與成本，并得到最優(yōu)的切割工藝參數(shù)，滿足廣大用戶的需求。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)意義及原理

在試驗(yàn)研究中，對(duì)于單因素或兩因素試驗(yàn)，因其因素少，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與分析都比較簡(jiǎn)單。但在實(shí)際工作中，常常需要同時(shí)考察3個(gè)或3個(gè)以上的試驗(yàn)因素，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則試驗(yàn)的規(guī)模將很大，例如十個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有影響，每個(gè)因素取兩個(gè)水平，按全面試驗(yàn)法，需要做210=1024次試驗(yàn)，由于受試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)材料、經(jīng)費(fèi)等限制，往往難于實(shí)施；若進(jìn)行簡(jiǎn)單比較試驗(yàn)，雖然試驗(yàn)次數(shù)少，但試驗(yàn)點(diǎn)不具代表性，考察的因素水平僅局限于局部區(qū)域，不能完整地反映因素的全面情況。如表1所示，考察兩個(gè)因素A和B，先固定A因素為A1，觀察A1行發(fā)現(xiàn)B3好，在固定B3列發(fā)現(xiàn)A1好，按簡(jiǎn)單比較法，則最好的條件為A1B3，但是實(shí)際最好的條件為A2B2[2]。

表1 兩因素三水平試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

因此采用科學(xué)的方法進(jìn)行試驗(yàn)并處理試驗(yàn)結(jié)果，顯得尤為重要。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)也稱正交設(shè)計(jì)，是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。它利用一套規(guī)格化的正交表安排試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果再用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理，使之得出科學(xué)結(jié)論。正交表是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本工具，通常用Ln（tc）表示，其中：L為正交表的代號(hào)，n為試驗(yàn)的次數(shù)，t為水平數(shù)，c為列數(shù)，也就是可能安排最多的因素個(gè)數(shù)，它是根據(jù)均衡分布的思想，運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的一種數(shù)學(xué)表格，均衡分布性是正交表的核心。如圖1所示，圖中9個(gè)“·”，就是利用正交 表L9（33）從 27 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)按均衡分布性挑出的9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每一個(gè)面都有3個(gè)點(diǎn)，每一條線都有1個(gè)點(diǎn)[3]，這些點(diǎn)具有很強(qiáng)的代表性和綜合可比性，能夠較好地反映出全面試驗(yàn)的情況。

圖1 L9（33）試驗(yàn)點(diǎn)分布圖

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本程序分為設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和處理試驗(yàn)結(jié)果兩大部分。主要步驟可歸納如下：第1步，明確試驗(yàn)?zāi)康?；?步，挑因素，選水平；第3步，選擇合適的正交表；第4步，進(jìn)行試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)結(jié)果；第5步，試驗(yàn)結(jié)果分析。

2 激光切割厚板的正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

獲得20mm低碳鋼最優(yōu)切割參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)因素

經(jīng)研究，有5個(gè)因素需確定最佳條件：焦點(diǎn)位置A，切割速度B，功率C，氣壓D，占空比E。

選位極（水平），如表2所示。因素A焦點(diǎn)位置1.5mm～3mm；因素B切割速度500～650mm/min；因素C功率1350～1800W；因素D氣壓 0.1～0.16MPa；因素E占空比85%～100%。

表2 各因素均勻選擇位極（水平）表

2.3 選用正交表

選用L16（45）正交表，為5因素、4水平，共做16次試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

按選用的正交表將表2中的因素順序上列，位極對(duì)號(hào)入座，然后進(jìn)行試驗(yàn)，并得出試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 激光切割厚板正交試驗(yàn)表

試驗(yàn)結(jié)果按斷面質(zhì)量打分量化。如圖2所示。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）各因素對(duì)結(jié)果影響的重要程度。極差最大者即是對(duì)結(jié)果影響程度最大，極差最小者則影響程度最小,極差值=該因素位極最大值-位極最小值，如因素A極差=K4-K1=2.125-1.5=0.625。由表3中的極差值可見，激光切割厚板其因素重要程度的次序?yàn)锳→B→C→D→E。

（2）直接看。第13號(hào)試驗(yàn)最好，板材自由掉落且斷面質(zhì)量最優(yōu)，如圖3所示，其工藝條件為A4B1C4D2E3。

（3）算一算。分別計(jì)算各因素每種水平位極均值，均值越大，該因素在此水平的工藝條件越好。以因素A為例，因素A位極均值K1=因素A在水平1試驗(yàn)結(jié)果之和/試驗(yàn)次數(shù)，即

圖2 切割斷面圖

圖3 板材自由掉落且斷面質(zhì)量最優(yōu)

同理，因素B位極均值K1=因素B在水平1試驗(yàn)結(jié)果之和/試驗(yàn)次數(shù)，即

表3中，備注“★”為計(jì)算比較后，各因素最好的水平，綜合后最好的工藝條件應(yīng)是A4B1C4D2E3。

圖4 各因素隨水平變化趨勢(shì)分析圖

（4）趨勢(shì)分析。如圖4所示。

由圖可見，A因素、B因素及C因素還有潛力可挖，但由于A因素焦點(diǎn)位置3已經(jīng)到切割頭焦點(diǎn)可調(diào)最高值，B因素切割速度降低導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，C功率加大斷面質(zhì)量可能更粗糙，因此，默認(rèn)A因素、B因素及C因素達(dá)到極限值，不做改變。

（5）綜合評(píng)定。“直接看”與“算一算”結(jié)果一致，本試驗(yàn)最好的工藝條件應(yīng)是A4B1C4D2E3。

3 總結(jié)

采用正交試驗(yàn)法在2kW光纖激光切割機(jī)上對(duì)20mm低碳鋼厚板進(jìn)行切割試驗(yàn)，以最少的人力和物力消耗，在最短時(shí)間內(nèi)取得最優(yōu)工藝參數(shù)。采用正交試驗(yàn)法可提高產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)，縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期，降低成本，大大提升產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]樓祺洪.高功率光纖激光器及其應(yīng)用[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2010.

[2]方開泰.正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[3]趙選民.試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]楊 靜，路 磊，等.一種用于寬幅厚板加工的高性能數(shù)控激光切割機(jī)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（2）.

[5]王 寬，林 飛，等.基于正交試驗(yàn)的工業(yè)擠壓態(tài)AZ31鎂合金預(yù)處理試驗(yàn)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（4）.